苏教版高中化学选修4讲义化学电源.docx

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苏教版高中化学选修4讲义化学电源

第2课时　化学电源

目标与素养：

1.了解化学电源的种类及其工作原理，知道化学电源在生产、生活和国防中的实际应用。

（科学态度与社会责任）2.学会一次电池、二次电池的反应原理，会书写电极反应式。

（宏观辨识与微观探析）

一、化学电源的分类及特点

二、一次电池

1．银锌钮扣电池

（1）组成

（2）电极反应和电池反应

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

电池反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn（OH）2。

2．锌锰干电池

（1）组成：

分为酸性锌锰电池（普通锌锰干电池）和碱性锌锰电池，其正极为石墨棒，负极为锌筒，前者电解质溶液为NH4Cl和ZnCl2混合液，后者电解质为KOH。

（2）电极反应和电池反应

以碱性锌锰干电池为例：

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2。

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

电池反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnOOH。

三、燃料电池

以KOH溶液为电解质溶液，写出氢氧燃料电池的电极反应式和电池反应。

电极反应（碱性环境）：

负极：

H2＋2OH－－2e－===2H2O；

正极：

O2＋H2O＋2e－===2OH－；

电池反应：

H2＋

O2===H2O。

特点：

连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能，能量利用率高，排放废弃物少。

四、二次电池

1．构造与组成

2．工作原理

放电过程

充电过程

负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4；（氧化反应）

阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

；（还原反应）

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O；（还原反应）

阳极：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；（氧化反应）

总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4

铅蓄电池的充、放电过程：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

3．铅蓄电池的优缺点

（1）优点：

可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产生活中应用广泛。

（2）缺点：

比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）Zn具有还原性和导电性，可作锌锰干电池的负极材料。

（　　）

（2）锌锰干电池放电后可以再次充电使用。

（　　）

（3）氢氧燃料电池的正极和负极本身都不参与电极反应。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）√

2．下列有关电池的说法不正确的是（　　）

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

B　[二次电池，即可充电电池，所以A项对。

在原电池中，活泼金属Zn是负极，负极失电子发生氧化反应，因此电子的流向是由负极（锌电极）流向正极（铜电极），所以B项错。

]

3．LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质是LiAlCl4－SOCl2。

电池的总反应可表示为：

4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为________，发生的电极反应为

_____________________________________________________。

（2）电池正极发生的电极反应为___________________________。

解析：

（1）分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂（作负极），失电子：

Li－e－===Li＋。

（2）SOCl2为氧化剂，得电子，从题给电池反应可推出产物：

Cl－、S、SO2。

（或用总反应减去负极反应）。

答案：

（1）Li　Li－e－===Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑

化学电源电极反应式的书写

1．根据装置书写电极反应式

首先判断该电池所依据的化学反应，从而确定两个半反应即电极反应。

（1）先分析装置图，确定原电池的正负极上的反应物质。

（2）书写电极反应式

负极：

活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。

如铅蓄电池的负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

正极：

阳离子得到电子生成单质（或低价离子），或O2得到电子，若是O2发生电极反应，则有两种情况：

①电解质是碱性或中性：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－；②电解质是酸性：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（3）正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

2．给出总反应式，写电极反应式

各类电极反应式的一般书写步骤为①列出物质，标电子的得失；②选离子，配电荷；③配个数，巧用水；④两式加，验总式。

以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的负极反应式的书写步骤：

（1）根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H2，转移电子数为4e－：

2H2－4e－===4H＋。

（2）根据电解质溶液的酸碱性，用H＋或OH－或其他离子配平，使两边电荷总数相等。

2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

注意：

在碱性溶液中，电极反应式不出现H＋。

（3）利用元素守恒验证，即得2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

3．可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向都能反应，所以要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池；原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素的化合价升高；原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素的化合价降低。

4．给出电极反应式，书写总反应方程式

根据给出的两个电极反应式，写出总反应方程式时，首先要使两个电极反应式的得失电子数相等后将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。

注意若反应式同侧出现不能共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO

，要写成反应后的物质，如H2O、PbSO4。

【例1】　高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为：

3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH，下列叙述不正确的是（　　）

A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

B．充电时阳极反应为Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO

＋4H2O

C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

C　[根据题给总反应式，高铁电池放电时高铁酸钠在正极得到电子，被还原。

]

电极反应式书写的两个注意点

（1）在电极反应式中，只有能溶于水的强电解质才能写成离子。

（2）在酸性溶液中，可发生消耗H＋和产生H＋的反应，不可能发生消耗OH－和产生OH－的反应，同理在碱性溶液中，可发生消耗OH－和产生OH－的反应，不可能发生消耗H＋和产生H＋的反应。

1．某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为Fe＋NiO2＋2H2O

Fe（OH）2＋Ni（OH）2，下列说法中正确的是（　　）

A．放电时，负极上发生反应的物质是Fe

B．放电时，正极反应是NiO2＋2e－＋2H＋===Ni（OH）2

C．充电时，阴极反应是Ni（OH）2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O

D．充电时，阳极附近pH增大

A　[原电池的负极发生氧化反应，该原电池的负极为Fe，A项正确；该电池的正极为NiO2，发生还原反应，电极反应为NiO2＋

2e－＋2H2O===Ni（OH）2＋2OH－，B项错误；充电时，阴极发生还原反应，电极反应为Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－，C项错误；充电时，阳极的电极反应为Ni（OH）2＋2OH－－2e－===NiO2＋2H2O，pH减小，D项错误。

]

常见燃料电池的比较

1．常见的四种典型燃料电池

名称

电解质

电极反应和总反应

氢氧

燃料

电池

KOH

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

负极：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

总反应：

2H2＋O2===2H2O

H2SO4

正极：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

负极：

2H2－4e－===4H＋

总反应：

2H2＋O2===2H2O

甲烷

燃料

电池

KOH

正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

总反应：

CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O

甲醇

燃料

电池

KOH

正极：

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

负极：

2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO

＋12H2O

总反应：

2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O

肼燃料

电池

KOH

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

负极：

N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O

总反应：

N2H4＋O2===N2＋2H2O

2.书写燃料电池电极反应式的三步骤

【例2】　

（1）现有反应2H2＋O2

2H2O，要构成燃料电池，则负极通入的应是______，正极通入的应是______，电极反应式分别为_______________________、________________________。

（2）如把KOH改为稀硫酸作导电物质，则电极反应式分别为____________________、____________________。

（3）上述

（1）和

（2）的电解液不同，反应进行后，

（1）中溶液pH变________（填“大”或“小”，下同），

（2）中溶液pH变________。

解析：

解答此题的关键是弄清原电池的有关概念。

（1）根据总反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，H2应在负极上反应，O2应在正极上反应，又因为是碱性溶液不可能有H＋参加或生成，故负极反应为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

（2）若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有

OH－参加反应，也不可能有OH－生成，负极：

2H2－4e－===4H＋，正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（3）由于

（1）是在碱性条件下反应，KOH量不变，但工作时H2O增多，故溶液变稀，pH将变小；而

（2）中为酸溶液，H2SO4不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。

答案：

（1）H2　O2

负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）负极：

2H2－4e－===4H＋

正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

（3）小　大

（1）以C2H5OH为燃料的燃料电池在酸性、碱性电解质溶液中的负极的电极反应式是否相同？

试写出。

（2）已知氢气可以在氯气中燃烧，根据燃料电池的原理，能否以该反应设计燃料电池？

提示：

（1）不同。

碱性（生成碳酸盐）：

C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO

＋11H2O，酸性（生成CO2）：

C2H5OH－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋。

（2）能。

在负极通入氢气，正极通入氯气，可用盐酸作电解质溶液，既可以将化学能转化为电能，又可以制备盐酸。

2．一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。

现用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2混合气体，其总反应为2CO＋O2===2CO2。

则下列说法正确的是（　　）

A．通CO的一极是电池的正极

B．负极发生的电极反应是O2＋2CO2＋4e－===2CO

C．负极发生的电极反应是CO＋CO

－2e－===2CO2

D．正极发生氧化反应

C　[据题意知通入CO的一极为电源的负极，CO失去电子转变为CO2，负极发生氧化反应，故A、B、D项错误，C项正确。

]

1．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是

（　　）

干电池示意图　　铅蓄电池示意图　氢氧燃料电池示意图

A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池

B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏

C．铅蓄电池工作过程中，每通过2mol电子，负极质量减轻207g

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

C　[在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确；C项忽略了硫酸铅在该极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误。

]

2．有关碱性锌锰电池的说法正确的是（　　）

A．Zn为正极　　　　B．MnO2为负极

C．以氯化铵作为电解质D．MnO2极有电子流入

D　[碱性锌锰电池的电极材料是MnO2和Zn，电解质为KOH，电池反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnOOH，可知Zn为负极，流出电子，MnO2为正极，有电子流入。

]

3．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是（　　）

A．Pb为正极被氧化

B．电解质溶液的pH不断减小

C．SO

向PbO2处移动

D．电解质溶液的pH不断增大

D　[由题给电池反应可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，所以B不正确，D正确；由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极，所以A不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb极流向PbO2极，内电路中，SO

移向Pb极，所以C不正确。

]

4．燃料电池是利用燃料（如H2、CO、CH4等）跟氧气反应从而将化学能转化成电能的装置。

下列关于CO燃料电池（NaOH作电解质）的说法中正确的是（　　）

A．负极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．负极反应为：

CO－2e－＋4OH－===CO

＋2H2O

C．放电时正极发生氧化反应，外电路中电子从正极流向负极

D．随着放电的进行，溶液的pH保持不变

B　[A项所给是正极反应式，错误；C项外电路中电子从负极流向正极，错误；D项由电池总反应：

O2＋2CO＋4OH－===2CO

＋2H2O，可知反应消耗NaOH，故pH要减小，错误。

]

5．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。

一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨化为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

回答下列问题：

（1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是________________

_____________________________________________________。

（2）此电池的正极发生的电极反应式是_____________________，

负极发生的电极反应式是_______________________________。

（3）电解液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

（4）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：

首先是燃料电池的能量转化效率高，其次是________。

解析：

甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。

CH3OH在负极发生氧化反应，电极反应式为2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋；氧气在正极反应：

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，两反应式相加即得总反应式。

在电池中，负极释放出电子移动到正极上，故向外电路释放电子的电极为负极。

在原电池的内电路中，阳离子向正极移动，故H＋向正极移动。

甲醇反应产物为CO2和H2O，对环境无污染。

答案：

（1）2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

（2）3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋

（3）正　负极　（4）对环境无污染